Luận văn Nghiên cứu kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh JPEG 2000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………….. LUẬN VĂN Nghiên cứu kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh JPEG 2000 1 MỤC LỤC Lời cảm ơn! ....................................................................................................................... 2 Lời mở đầu ........................................................................................................................ 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN KĨ THUẬT GIẤU TIN ...................................................... 6 1.1 Định nghĩa giấu tin ............................................................................................ 6 1.2 Mục đích của giấu tin ......................................................................................... 6 1.3 Mô hình kỹ thuật giấu thông tin cơ bản ............................................................. 7 1.4 Môi trƣờng giấu tin ............................................................................................ 8 a) Giấu tin trong ảnh ........................................................................................ 8 b) Giấu tin trong audio ..................................................................................... 9 c) Giấu tin trong video ..................................................................................... 9 d) Giấu thông tin trong văn bản dạng text ...................................................... 10 1.5 Phân loại giấu tin theo cách thức tác động lên các phƣơng tiện ...................... 10 1.6 Phân loại giấu tin theo các mục đích sử dụng .................................................. 10 CHƢƠNG 2. CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET – JPEG2000 ....................................................................................................................... 12 2.1 Lịch sử ra đời và phát triển chuẩn JPEG2000 ................................................. 12 2.2 Các tính năng của JPEG2000 ........................................................................... 12 2.3 Các bƣớc thực hiện nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 ........................................ 13 2.3.1 Xử lí trƣớc khi biến đổi........................................................................... 14 2.3.2 Biến đổi liên thành phần ......................................................................... 14 2.3.3 Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) ........................................ 15 2.3.4 Lƣợng tử hóa – Giải lƣợng tử hóa .......................................................... 18 2.3.5 Tier-1 coding ........................................................................................... 19 2.3.6 Tier-2 coding ........................................................................................... 20 2.3.7 Điều chỉnh tỉ lệ (rate control) .................................................................. 21 2.4 Một số phƣơng pháp mã hóa và kết hợp dòng dữ liệu sau mã hóa .................. 22 a) Phƣơng pháp mã hóa SPIHT .................................................................. 23 b) Phƣơng pháp mã hóa EZW ..................................................................... 24 2.5 Định dạng ảnh JPEG 2000 – JP2 ..................................................................... 26 2.6 So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG và các chuẩn nén ảnh tĩnh khác ............. 27 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP GIẤU THỦY VÂN DỰA VÀO CẶP TẦN SỐ GIỮA DWT ............................................................................................................................... 31 2 3.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 31 3.2 Thủy vân trong miền DWT ................................................................................. 32 3.2.1 Sự tƣơng quan giữa hệ số các dải giữa với sự biến đổi cấp xám ............... 33 3.2.2 Thuật toán nhúng và tách thủy vân ............................................................ 36 A. Kĩ thuật nhúng thủy vân ........................................................................ 36 B. Kĩ thuật tách thủy vân ........................................................................... 37 CHƢƠNG 4. CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM ........................................................................ 39 4.1 Môi trƣờng cài đặt .............................................................................................. 39 4.2 Thử nghiệm ......................................................................................................... 41 4.3 Đánh giá thuật toán ............................................................................................. 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 44 KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 45 3 LỜI CẢM ƠN! Em xin chân thành cảm ơn hội đồng khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng đã tạo điều kiện để cho chúng em thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo: ThS. Hồ Thị Hương Thơm – giảng viên khoa công nghệ thông tin trường ĐHDL Hải Phòng, đã tận tình hướng dẫn và chỉ đạo em trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Vì thời gian nghiên cứu chỉ có hạn, trình độ hiểu biết của bản thân em còn nhiều hạn chế. Cho nên trong báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự góp ý quý báu của tất cả các thầy cô giáo để báo cáo của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 4 LỜI MỞ ĐẦU Môi trƣờng mạng Internet phát triển rộng rãi cùng với sự hỗ trợ của các phƣơng tiện đa truyền thông đã đem lại nhiều thuận lợi và cơ hội cho con ngƣời trên mọi lĩnh vực của đời sống xã hội, trong giao lƣu, hợp tác, kinh doanh, ... Nhƣng đồng thời, nó cũng đặt ra nhiều thách thức trong việc đảm bảo an toàn cho các thông tin đƣợc truyền giao qua các phƣơng tiện truyền thông nhƣ: nguy cơ sử dụng trái phép và xuyên tạc bất hợp pháp thông tin lƣu chuyển trên mạng. Việc sử dụng một cách bình đẳng, an toàn các dữ liệu đa phƣơng tiện cũng nhƣ cung cấp một cách kịp thời tới nhiều ngƣời dùng cuối và các thiết bị cuối cũng là một vấn đề quan trọng. Hơn nữa, sự phát triển mạnh của các phƣơng tiện kỹ thuật số đã làm cho việc lƣu trữ, sửa đổi và sao chép dữ liệu ngày càng đơn giản, từ đó việc bảo vệ bản quyền và chống xâm phạm trái phép các dữ liệu đa phƣơng tiện (âm thanh, hình ảnh, tài liệu) cũng gặp nhiều khó khăn. Một công nghệ mới ra đời đã phần nào giải quyết đƣợc các khó khăn trên là giấu thông tin trong các nguồn đa phƣơng tiện nhƣ các nguồn âm thanh, hình ảnh, ảnh tĩnh. Mục tiêu của giấu thông tin là làm cho thông tin trở nên vô hình, từ đó khiến ta không thể thấy đƣợc đối tƣợng. Trong những năm gần đây, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các chƣơng trình ứng dụng, phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phƣơng tiện bởi lƣợng thông tin đƣợc trao đổi bằng ảnh là rất lớn. Nó đóng vai trò rất quan trọng trong hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin nhƣ: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền của tác giả…Thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh ít thay đổi và không ai biết đƣợc đằng sau nó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã đƣợc sử dụng phổ biến thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều những ứng dụng to lớn trên hầu hết các lĩnh vực trong đời sống xã hội. 5 Giấu thông tin là một kỹ thuật còn tƣơng đối mới và đang phát triển rất nhanh, thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của cả giới khoa học và giới công nghiệp nhƣng cũng còn nhiều thách thức. Bản báo cáo này trình bày về một kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh JPEG2000. Nội dung của đề tài đƣợc trình bày trong 4 chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan về kỹ thuật giấu tin trong ảnh Chƣơng 2. Chuẩn nén ảnh tĩnh dựa trên biến đổi WAVELET - JPEG2000 Chƣơng 3. Phƣơng pháp giấu thủy vân dựa vào cặp tần số giữa DWT Chƣơng 4. Cài đặt thử nghiệm 6 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN KĨ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin Giấu tin là một kỹ thuật giấu hoặc nhúng một lƣợng thông tin số nào đó vào trong một đối tƣợng dữ liệu số khác (giấu tin nhiều khi không phải là hành động giấu cụ thể mà chỉ mang ý nghĩa quy ƣớc). 1.2 Mục đích của giấu tin Có 2 mục đích của giấu thông tin: - Bảo mật cho những dữ liệu đƣợc giấu. - Bảo đảm an toàn (bảo vệ bản quyền) cho chính các đối tƣợng chứa dữ liệu giấu trong đó. Có thể thấy 2 mục đích này hoàn toàn trái ngƣợc nhau và dần phát triển thành 2 lĩnh vực với những yêu cầu và tính chất khác nhau. Hình 1.1. Hai lĩnh vực chính của kỹ thuật giấu thông tin Kỹ thuật giấu thông tin bí mật (Steganography): với mục đích đảm bảo tính an toàn và bảo mật thông tin tập trung vào các kỹ thuật giấu tin để có thể giấu đƣợc nhiều thông tin nhất. Thông tin mật đƣợc giấu kỹ trong một đối tƣợng khác sao cho ngƣời khác không phát hiện đƣợc. Kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh giấu (watermarking) mục đích là bảo vệ bản quyền của đối tƣợng chứa thông tin thì lại tập trung đảm bảo một số các yêu cầu nhƣ đảm bảo tính bền vững… đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số. Giấu thông tin Giấu tin bí mật (Steganography ) Thuỷ vân số (Watermarking) 7 1.3 Mô hình kỹ thuật giấu thông tin cơ bản Quá trình giấu thông tin vào phƣơng tiện chứa và tách lấy thông tin là hai quá trình trái ngƣợc nhau và có thể mô tả qua sơ đồ khối của hệ thống nhƣ sau: Hình 1.2. Lƣợc đồ chung cho quá trình giấu tin - Thông tin cần giấu tuỳ theo mục đích của ngƣời sử dụng, nó có thể là thông điệp (với các tin bí mật) hay các logo, hình ảnh bản quyền. - Phƣơng tiện chứa: các file ảnh, text, audio… là môi trƣờng để nhúng tin - Bộ nhúng thông tin: là những chƣơng trình thực hiện việc giấu tin - Đầu ra: là các phƣơng tiện chứa đã có tin giấu trong đó Tách thông tin từ các phƣơng tiện chứa diễn ra theo quy trình ngƣợc lại với đầu ra là thông tin đã đƣợc giấu vào phƣơng tiện chứa. Phƣơng tiện chứa sau khi tách lấy thông tin có thể đƣợc sử dụng, quản lý theo những yêu cầu khác nhau. Hình vẽ sau chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu. Sau khi nhận đƣợc đối tƣợng phƣơng tiện chứa có giấu thông tin, quá trình giải mã đƣợc thực hiện thông qua một bộ giải mã ứng với bộ nhúng Thông tin giấu Phƣơng tiện chứa(audio, ảnh, video) Phƣơng tiện chứa đã đƣợc giấu tin Khóa Phân phối Bộ nhúng thông tin 8 thông tin cùng với khoá của quá trình nhúng. Kết quả thu đƣợc gồm phƣơng tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Bƣớc tiếp theo thông tin đã giấu sẽ đƣợc xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu. Hình 1.3. Lƣợc đồ chung cho quá trình giải mã 1.4 Môi trƣờng giấu tin a) Giấu tin trong ảnh Giấu tin trong ảnh hiện nay đang rất đƣợc quan tâm. Nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin nhƣ: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả… Thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh ít thay đổi và không ai biết đƣợc đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày này, khi ảnh số đã đƣợc sử dụng rất phổ biến thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều những ứng dụng quan trọng trên các lĩnh vực trong đời sống xã hội. Phần mềm WinWord của Microsoft cho phép ngƣời dùng lƣu chữ ký trong ảnh nhị phân, rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an toàn của thông tin. Phƣơng tiện chứa đã đƣợc giấu tin Bộ giải mã tin Phƣơng tiện chứa (audio, ảnh, video) Thông tin giấu Kiểm định Khóa giấu tin 9 Thông tin đƣợc giấu một cách vô hình, nó nhƣ là cách truyền thông tin mật cho nhau mà ngƣời khác không biết đƣợc, bởi sau khi đã đƣợc giấu thông tin chất lƣợng ảnh gần nhƣ không thay đổi đặc biệt đối với ảnh màu hay ảnh xám. b) Giấu tin trong audio Khác với kỹ thuật giấu tin trong ảnh: phụ thuộc vào hệ thống thị giác của con ngƣời – HSV (Human Vision System), kỹ thuật giấu thông tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System). Bởi vì tai con ngƣời rất kém trong việc phát hiện sự khác biệt giữa các giải tần và công suất, có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu đi đƣợc các âm thanh nhỏ, thấp một cách dễ dàng. Vấn đề khó khăn đối với giấu thông tin trong audio là kênh truyền tin, kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng thông tin sau khi giấu. Giấu thông tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin. Các phƣơng pháp giấu thông tin trong audio thƣờng lợi dụng những điểm yếu trong hệ thống thính giác của con ngƣời. c) Giấu tin trong video Cũng giống nhƣ giấu thông tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũng đƣợc quan tâm và đƣợc phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng nhƣ điều khiển truy cập thông tin, nhận thức thông tin, bản quyền tác giả… Một phƣơng pháp giấu tin trong video đã đƣợc đƣa ra bởi Cox là phƣơng pháp phân bố đều. Ý tƣởng cơ bản của phƣơng pháp là phân phối tin giấu dàn trải theo tần số của dữ liệu gốc. Nhiều nhà nghiên cứu đã dùng những hàm cosin riêng và những hệ số truyền sóng riêng để thực hiện việc giấu tin. Trong các thuật toán khởi nguồn, thƣờng các kỹ thuật cho phép 10 giấu ảnh vào trong video nhƣng thời gian gần đây các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video. d) Giấu thông tin trong văn bản dạng text Giấu thông tin trong văn bản dạng text thì khó thực hiện hơn do có ít thông tin dƣ thừa, để làm đƣợc điều này ngƣời ta phải khéo léo khai thác các dƣ thừa tự nhiên của ngôn ngữ hoặc là tận dụng các định dạng văn bản (mã hoá thông tin vào khoảng cách giữa các từ hay các dòng văn bản). => Kỹ thuật giấu tin đang đƣợc áp dụng cho nhiều loại đối tƣợng chứ không riêng gì dữ liệu đa phƣơng tiện nhƣ ảnh, audio, video. Gần đây đã có một số nghiên cứu giấu tin trong cơ sở dữ liệu quan hệ, các gói IP truyền trên mạng chắc chắn sau này còn tiếp tục phát triển tiếp. 1.5 Phân loại giấu tin theo cách thức tác động lên các phƣơng tiện Phƣơng pháp chèn dữ liệu: Phƣơng pháp này tìm những vị trí trong file dễ bị bỏ qua và chèn dữ liệu cần giấu vào đó, cách giấu này không làm ảnh hƣởng gì tới sự thể hiện của các file dữ liệu ví dụ nhƣ đƣợc giấu sau các ký tự EOF. Phƣơng pháp tạo các phƣơng tiện chứa: Từ các thông điệp cần chuyển tạo ra các phƣơng tiện chứa để phục vụ cho việc truyền thông tin đó, phía ngƣời nhận dựa trên các phƣơng tiện chứa này sẽ tái tạo lại các thông điệp. 1.6 Phân loại giấu tin theo các mục đích sử dụng  Giấu thông tin bí mật: đây là ứng dụng phổ biến nhất từ trƣớc đến nay, đối với giấu thông tin bí mật ngƣời ta thƣờng quan tâm chủ yếu tới các mục tiêu: + Độ an toàn của giấu tin - khả năng không bị phát hiện của giấu tin. + Lƣợng thông tin tối đa có thể giấu đƣợc trong một phƣơng tiện chứa cụ thể mà vẫn có thể đảm bảo an toàn. + Độ bí mật của thông tin trong trƣờng hợp giấu tin bị phát hiện. 11  Giấu thông tin bí mật không quan tâm tới nhiều các yêu cầu bền vững của phƣơng tiện chứa, đơn giản là bởi ngƣời ta có thể thực hiện việc gửi và nhận nhiều lần một phƣơng tiện chứa đã đƣợc giấu tin.  Giấu thông tin thuỷ vân: do yêu cầu về bảo vệ bản quyền, xác thực… nên việc giấu tin thuỷ vân có yêu cầu khác với giấu tin bí mật. Yêu cầu đầu tiên là các dấu hiệu thuỷ vân phải đủ bền vững trƣớc các tấn công vô hình hay cố ý gỡ bỏ nó. Thêm vào đó các dấu hiệu thuỷ vân phải có ảnh hƣởng tối thiểu (về mặt cảm nhận) đối với các phƣơng tiện chứa. Nhƣ vậy các thông tin cần giấu càng nhỏ càng tốt. => Tuỳ theo các mục đích khác nhau thuỷ vân cũng có các yêu cầu khác nhau. Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật giấu tin Information hiding Giấu thông tin Watermarking Thuỷ vân số Visible Watermarking Thuỷ vân hiển thị Steganography Giấu tin mật Fragile Watermarking Thuỷ vân dễ vỡ Robust Watermarking Thuỷ vân bền vững Imperceptible Watermarking Thuỷ vân ẩn 12 CHƢƠNG 2. CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET – JPEG2000 2.1 Lịch sử ra đời và phát triển chuẩn JPEG2000 JPEG viết tắt của Joint Photographic Experts Group là nhóm cộng tác giữa hai tổ chức: ISO (the International Organization for Standardization) và ITUT (International Telecommunication Union Standardization Sector) đã sáng lập ra chuẩn JPEG. Sự ra đời của JPEG mang lại nhiều lợi ích to lớn về nhiều mặt. JPEG giảm kích thƣớc ảnh, giảm thời gian truyền và làm giảm chi phí xử lý ảnh trong khi chất lƣợng ảnh là tốt hơn. Tuy nhiên cho đến nay, ngƣời ta cũng mới chỉ ứng dụng dạng nén có tổn thất thông tin của JPEG vì mã hóa không tổn thất của JPEG là khá phức tạp. Để việc nén ảnh có hiệu quả hơn, ủy ban JPEG đã đƣa ra một chuẩn nén ảnh tĩnh mới là JPEG2000. JPEG2000 sử dụng biến đổi Wavelet và một số phƣơng pháp mã hóa đặc biệt để có đƣợc ảnh nén ƣu việt hơn hẳn JPEG. JPEG2000 hiện vẫn đang tiếp tục đƣợc nghiên cứu phát triển, nhƣng đã đƣợc tổ chức ISO công nhận là chuẩn nén ảnh quốc tế áp dụng cho ảnh tĩnh. Chuẩn nén ảnh JPEG2000 mà xƣơng sống là biến đổi Wavelet với những tính năng vƣợt trội so với JPEG chắc chắn sẽ đƣợc dùng cho các server nội dung để chuyển đổi định dạng ảnh trong mạng di động. 2.2 Các tính năng của JPEG2000 JPEG2000 nhiều chức năng đặc biệt hơn mọi chuẩn nén ảnh tĩnh khác nhƣ JPEG hay GIF. Dƣới đây là các chức năng ƣu việt của JPEG2000 so với các chuẩn nén ảnh tĩnh khác : Cho chất lƣợng ảnh tốt nhất khi áp dụng nén ảnh tĩnh có tổn thất. Sử dụng đƣợc với truyền dẫn và hiển thị lũy tiến về chất lƣợng, về độ phân giải, các thành phần màu và có tính định vị không gian. Sử dụng cùng một cơ chế nén ảnh cho cả hai dạng thức nén. Truy nhập và giải nén tại mọi thời điểm trong khi nhận dữ liệu. 13 Giải nén từng vùng trong ảnh mà không cần giải nén toàn bộ ảnh. Có khả năng mã hóa với tỷ lệ nén theo từng vùng khác nhau. Nén một lần nhƣng có thể giải nén với nhiều cấp chất lƣợng khác nhau tùy theo yêu cầu của ngƣời sử dụng. Hiện tại, ISO và ủy ban JPEG đã đƣa ra khuyến nghị thay thế JPEG bằng JPEG2000. 2.3 Các bƣớc thực hiện nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 Hình 2.1. Trình tự mã hóa (a) và giải mã JPEG2000 (b) Có 3 điều cơ bản mọi ngƣời cần nắm đƣợc trƣớc khi đi vào tìm hiểu cách mã hóa JPEG2000: Thứ nhất: phải hiểu đƣợc mô hình ảnh nguồn (source image model) trong các thuật ngữ: số thành phần (components) có thể biến thiên từ 1 đến 214, nhƣng thông thƣờng là 1 (grayscale) hoặc là 3 (RGB, YcbCr, HSV) … 1-Xử lí trƣớc biến đổi 2-Biến đổi thuận liên thành phần Ảnh gốc Ảnh đã mã hóa (a) 3-Biến đổi thuận riêng thành phần 4- Lƣợn g tử hóa 5-Mã hóa Tier-1 6-Mã hóa Tier-2 7-Điều chỉnh tỉ lệ Ảnh khôi phục (b) Ảnh mã hóa Giải mã hóa Tier-1 Giải mã hóa Tier-2 Giải lƣợng tử hóa Biến đổi ngƣợc riêng thành phần Biến đổi ngƣợc liên thành phần Xử lí sau biến đổi 14 Thứ hai: lƣới tham chiếu (reference grid) phải có chiều rộng và chiều cao đều không đƣợc vƣợt quá 232-1, thí dụ nhƣ màn ảnh của màn hình máy tính với mật độ phân giải (resolution) cho trƣớc sẽ là lƣới tham chiếu. Thứ ba: nếu nhƣ ảnh có kích thƣớc rất lớn thì nó sẽ đƣợc chia thành các tile có các chiều bằng nhau và mỗi tile sẽ đƣợc xử lý một cách độc lập. Nhìn chung việc nén đơn giản gồm các bƣớc sau (không phải tất cả các bƣớc đều cần thiết, một vài bƣớc có thể bỏ qua): 2.3.1 Xử lí trƣớc khi biến đổi (preprocessing) Do sử dụng biến đổi Wavelet, JPEG2000 cần có dữ liệu ảnh đầu vào ở dạng đối xứng qua 0, ví dụ đối với ảnh grayscale, giá trị pixel phải nằm trong miền từ [-128, 128]. Xử lý trƣớc biến đổi